15장 복합재료 유기소재파이버공학과 길 명 섭.

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1 15장 복합재료 유기소재파이버공학과 길 명 섭

2 복합재료 둘 또는 그 이상의 재료를 혼합하여, 서로 다른 재료의 이점만을 살려서 각각 성분보다 나은 성질을 나타내는 재료이다. 넓은 의미 : 둘 또는 그 이상의 성분으로 구성되어 있는 많은 천연물질과 합성물질 실용적인 복합재료의 정의 : 매트릭스 또는 결합재료 중에 강화재료가 분포되어 있는 서로 다른 두 재료 이상의 조합물질

3 섬유강화복합재료(fiber reinforced composite, FRC)
- 강화재로서 섬유를 이용한 복합재료를 말함 - 기재(matrix)의 종류에 따라 섬유강화 플라스틱(FRP), 섬유강화 금속(FRM), 섬유강화 세라믹(FRC), 섬유강화 콘크리트(FRC) 등으로 분류됨 - 섬유는 금속, 글라스, 탄소, 세라믹, 유기물 등이 있음 Aramid Fiber Glass Fiber Carbon Fiber

4 섬유강화복합재료의 특성 - 높은 비강도(strength/density)와 비탄성률(modulus/density) 보유 - 좋은 피로(fatigue) 특성 지님 - 진동 흡수 특성 보유 - 이방성(anisotropic) 물질 - 제조방법이 용이함

5 15.1 진공백 성형(autoclave vacuum bag degassing)
매트릭스인 에폭시 수지가 일부 경화된 상태로 섬유와 혼합되어 있는 Prepreg를 오토클레이브(autoclave) 내에서 경화시킴 * Prepreg - Preinpregnated의 줄임말로 수지를 약 42%(무게) 정도 포함하는 것

6 공정 특성 - 높은 생산량이 필요 없는 고품질의 우주항공용 복합재료 제조 - 최적의 경화사이클이 요구됨 온도 - 조절목적: 성형 중에 복합재료 내부에서의 과다한 발열반응 억제 - 조절방법: Autoclave 내부온도, 복합재료 표면온도 및 내부 온도를 측정하여 허용최대온도차 설정

7 2) 압력 - 조절목표: 경화과정에서 경화반응이 진행되면서 수지의 점성이 높아지는데 수지의 점성이 높아지기 전에 잉여수지를 배출함 Cure cycle of the carbon epoxy composite in the autoclave.

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9 15.2 압축성형(compression molding)
* SMC(sheet molding compound) : piles를 장입제(charge)라 함

10 공정의 특징 - 금형의 값이 저렴하여 재료의 낭비가 적음 - 장섬유를 매우 높은 부피분율까지 함유(기계적 물성이 좋음) - 사용압력이 낮아 낮은 용량의 프레스 사용 가능 공정(process) 장입준비와 배치 금형의 닫힘 경화 적층 무게계량 - 경화시간 동안 금형을 닫은 채로 유지 - 금형 닫힘속도 조절

11 15.3 연속인발(pultrusion) 공정 목적: 높은 섬유함유량을 가지는 고분자복합재료를 제조
Resin impregnating tank Roving/mat creel Heated die Puller

12 특성 - 강화섬유가 주로 축방향으로 배열됨 - 강화섬유와 첨가물이 수지에 함침되어 가열된 다이 내부를 통해서 당겨짐 공정 강화섬유 공급 수지 함침 예비성형 경화 당김 (가이드 장치) - 로빙이나 직물 크릴에서 공급 (길이방향 강화) 롤 형상 (횡방향 강화) 강화제 충전제 자외선 차단제 경화촉매제 이형제 첨가 연속인발 제품에 가깝도록 점진적 으로 변형 다이내에서 이루어짐 온도제어가 중요함

13 15.4 필라멘트 와인딩(filament winding)공정
섬유에 수지를 함침하여 맨드럴(mandrel)을 회전시키면서 일정하게 감은 후 경화시키는 공정 맨드럴(mandrel): 제품의 기학학적 형상을 결정해 주는 기본 요소 - 영구적인 것(제품의 일부) - 제거가 가능한 것

14 특성 재료의 가격이 저렴하고 인건비가 적게 듬 컴퓨터나 로봇 제어를 통한 제품의 재현성이 우수 맨드럴 제거가 어려움 오목한 면의 제조가 불가능함

15 제조 공정 맨드럴 선정 섬유선택 수지선택 와인딩 경화 맨드럴 탈형 알루미늄 강철 석고 - 유리섬유 - 탄소섬유 - 에폭시 - 폴리에스터 - 바이닐에스터 - 온도결정

16 15.5 RTM(resin transfer molding) 공정
금형을 이용하여 원하는 모양의 제품을 금형 내부에서 경화 후 꺼냄

17 공정의 특징 낮은 압력을 사용하여 큰 단면적 제품 제조 경화 전에 매우 낮은 점도의 액체가 금형 내에 존재하여 함침이 향상됨 - 깊은 부분이나 taper를 최소화한 제품 제조

18 15.6 SMC(sheet molding compound) 공정
섬유와 광물성 촉진제가 열경화성수지에 함침된 연속적인 복합판재의 제조 공정 - 복잡한 형상의 제품을 비교적 짧은 시간에 제조함

19 1) SMC판의 제조 혼합 배합 압축 숙성 온도 조절 수지성분 + 증점제 성분 수지 페이스 + 단섬유

20 2) BMC와 TMC BMC(bulk molding compound) - 6~12 mm정도의 유리섬유를 15~20% 정도 포함하는 폴리에스터 수지로 이루어짐 - 압축성형, 사출성형, RTM으로 성형 - 섬유의 길이가 작고 섬유의 양이 적어 기계적 성질이 나쁨 TMC(thick molding compound) - 미리 혼합된 수지 paste와 단섬유를 커다란 함침롤을 통과시켜 제조함

21 BMC